Бактерии, опровергающие догмы, упаковывают ДНК необычным образомБактерии, опровергающие догмы, упаковывают ДНК необычным образом
Некоторые бактерии, оказывается, упаковывают свои геномы в белки, называемые гистонами, которые, как считалось, не существуют в бактериальных клетках.
Это поразительное открытие свидетельствует о том, что некоторые виды бактерий имеют причудливый способ упаковки хромосом и регулирования экспрессии генов - с помощью белков, которые, как считалось до недавнего времени, вообще не существуют у бактерий. В препринте, опубликованном 26 января на сайте bioRxiv, исследователи сообщают о характеристике белков, называемых гистонами, которые у двух видов бактерий, по-видимому, связываются друг с другом и покрывают участки бактериальной хромосомы. Это полностью отличается от расположения гистонов, наблюдаемого у других организмов. Например, у эукариот клетки имеют ограниченное мембраной ядро и ДНК обвивается вокруг гистонов, а не заключена в них.
Хотя гистоны являются жизненно важным инструментом для поддержания структуры хромосом и контроля активности генов у эукариот и архей, многие годы считалось, что они не существуют у бактерий. По мере того, как становилось доступным все больше последовательностей бактериальных геномов, обнаружение последовательностей, характерных для гистонов, поставило под сомнение это предположение. "Но никто никогда не характеризовал их и не проводил функциональных исследований", - рассказывает Ремус Дейм, биохимик и микробиолог из Лейденского университета в Нидерландах. "Это определенно что-то новое и интересное".
Эукариотические гистоны удивительно однородны по своей структуре и функциям - постоянство, которое может расстраивать исследователей, желающих изучить эволюцию гистонов, говорит биохимик Каролин Люгер из Университета Колорадо. Если вы хотите понять эволюционное происхождение, вы не можете обратиться к "примитивным" эукариотам", - говорит она. "У них уже все есть".
Отсутствие разнообразия также вызывает вопросы у синтетических биологов, ищущих новые способы контроля экспрессии генов, как объясняет Тобиас Варнеке, молекулярный эволюционный биолог из Имперского колледжа Лондона. Фундаментальный состав хроматина и принцип работы экспрессии генов очень схож у всех эукариот, и тогда начинаешь задаваться вопросом: "Не является ли это застывшей случайностью?" - говорит он. "Есть ли что-то особенное в гистонах, что делает их уникальными, или мы можем построить системы по-другому?".
Недавние исследования архейных гистонов позволили выявить более разнообразные системы, и Варнеке вместе с Антуаном Хошером, системным биологом из Имперского колледжа, решили посмотреть какие сюрпризы могут таить в себе бактериальные гистоноподобные белки. Вместе с Люгером и другими сотрудниками они изучили белки двух видов, которые можно легко вырастить в лаборатории: патогенной Leptospira interrogans и хищной бактерии Bdellovibrio bacteriovorus. Эта бактерия проникает в крупные бактерии и переваривает их изнутри, измельчая ДНК и белки своей жертвы для использования в качестве строительных блоков для собственного воспроизводства.
Когда исследователи выделили белок гистона из B. bacteriovorus и проанализировали его структуру, как самостоятельную, так и взаимодействующую с ДНК, они с удивлением обнаружили, что он ведет себя не так, как все известные гистоны архей или эукариот. Бактериальные гистоны объединялись в пары, которые окружали нить ДНК. Длинные цепочки этих гистонов могли действовать как щит вокруг ДНК, что заметно отличается от их функции в эукариотах, где гистоны группируются вместе, образуя катушку, вокруг которой наматывается ДНК. "Я был потрясен", - вспоминает Люгер.
Это действительно поразительное открытие, но пока неясно, отражает ли эта структура взаимодействие гистонов и ДНК в бактериальных клетках, или это артефакт работы с изолированными белками в лаборатории, отмечает Дейм.
Пока исследователи могут только предполагать, что могут делать гистоны и как их необычный способ действия может помочь бактериям выжить. У B. bacteriovorus гистоны могут защищать ДНК от захвата кусочков фрагментированного генома его жертвы, считает Варнеке. Эта бактерия также известна тем, что ее ДНК плотно упакована во время фазы свободного плавания, до того, как она поразит свою жертву, отмечает Жеральдин Лалу, микробиолог из Лувенского католического университета в Бельгии. "Нам было интересно, что приводит к такому сильному уплотнению и как оно разрушается", - говорит Лалу. "Этот уникальный способ связывания ДНК может дать новые знания в этой области".
В рамках своего исследования ученые изучили тысячи бактериальных геномов. Они обнаружили гистоноподобные белки примерно в 2% геномов, что позволяет предположить, что будет еще много других систем для изучения. "Люди заволновались и сказали: "О, у бактерий не должно было быть гистонов", - вспоминает Варнеке. "Но если вы занимаетесь эволюцией микроорганизмов, вы прекрасно знаете, что если вы будете искать достаточно усердно, вы найдете некоторые из них".
